1

砂利や砂で有機性汚水をろ過して浄化する多段式の伏流式人工湿地

システム

農業・食品産業技術総合研究機構

東北農業研究センター 生産環境研究領域

主任研究員 加藤 邦彦

2015年1月16日JSTグリーンイノベーション新技術説明会

2

A．表面流FWS

C．伏流式 水平流HF

嫌気的（還元的）

B．伏流式 鉛直流VF

好気的（酸化的）

スゲ，ガマなど

ヨシ，リ－ドカナリーグラスなど

ヨシ，リ－ドカナリーグラスなど

① 主に有機物やアンモニアを低減

② 主に硝酸態窒素を削減

ハイブリッドシステム（①＋②）

3

費用が安い（特に運転費用が安い）

汚水の濃度や量の変化に対応できる

寒地でも冬季を含めて通年浄化できる

ハイブリッド型は窒素浄化能に優れる

伏流式人工湿地ろ過システムのメリット

植物（ヨシなど）の役割 芽や茎が目詰まりを軽減し透水性を確保

冬季の凍結を防止する断熱効果

人工湿地に住む生物の生態系を支える

浄化のために植物を刈り取る必要は無い

4

伏流式人工湿地（ハイブリッド型）全景 (K牧場・別海町)

2005年 2009年

1段（垂直） 2段（垂直）

3段（水平）

1

2

3

4

256m2

256m2 512m2

サンプル

処理水 1 2 3 4 5

原水 処理水

150m2

Jul. 2008 (4th bed exit)

4段（垂直）

1

2

3

4

5 5

5

自動サイホン

ハイブリッド伏流式人工湿地ろ過システムの流れ図（４段の例）

P 砂利層

放流

１段

鉛直流

好気的

２段

鉛直流・循環

好気的

３段

水平流

嫌気的

４段

鉛直流

好気的

砂利層

砂利層

P ポンプ

P P 循環

酪農排水 デンプン廃液 養豚尿液 など・・・

砂利層

目詰まりを 回避する

バイパス構造

原水 ・ 混合

P

１ ２ ３ ４

５

ｎ 試料採取ポイント

全ろ床表面にスーパーソル等を敷設

有機物や窒素の分解

アンモニアの硝酸化など

硝酸を窒素

ガスに変え

大気へ

6

例

酪農

処理方式

植栽水路

河川水 <10

処理水

～10 ～100 ～1000 ～10000 ～100000

BOD (mg/L)

牛乳 70000～

生活排水 200

伏流式人工湿地による有機性排水処理の適用範囲

パドック 排水 ～1000

活性汚泥法、中空糸膜法、オゾン処理など メタン発酵 堆肥化

低水分：資源化 高水分：処理

パーラー 排水 1000～3000

尿 4000

スラリー 16000

ふん 24000

養豚尿液 10000

デンプン廃液 30000

← ◎ → → ？

伏流式人工湿地（ヨシ濾床） ◎ ○

○

7

⑧ 2009年4月～

川渡・東北大：酪農排水

伏流式人工湿地ろ過システムの広がり 2013年8月現在

⑪ 2010年12月～

雫石K農場：鶏卵施設洗浄水

⑬ 2011年6月～

江別E：酪農排水

⑩ 2010年3月～

豊富サロベツM：面源＆施設処理水

① 2005年11月～

別海K：酪農排水

⑤ 2008年5月～

別海N：酪農排水

⑥ 2008年8月～2012年11月

清里P：デンプン廃液

⑫ 2011年5月～

滝上G：酪農雑排水

⑭ 2011年8月～

白糠R：チーズ工房排水

③ 2007年8月～

歌登：酸性鉱山排水

⑨ 2009年11月～

千歳O：養豚尿液

⑦ 2008年10月～

厚田A：養豚場洗浄水

② 2006年11月～

遠別S：酪農排水

④ 2007年11月～

豊富稚咲内TY：面源・農業河川水

⑮ 2012年1月～

富士宮I：ペットボトル再生排水 ⑰ 2013年5月～

ベトナムH：養豚尿液

⑯ 2012年7月～

仙台A：家庭用排水

8

寒冷地における高濃度有機性排水処理の主な問題

搾乳牛舎パーラー排水

2,000 – 5,000 mg COD/L

40 – 80 mg NH4-N/L

養豚尿液

10,000 mg COD/L

1,800 mg NH4-N/L

デンプン工場デカンタ廃液

24,000 – 54,000 mg COD/L

1,000 – 1,300 mg NH4-N/L

Dairy farm

Pig farm

Potato starch

factory

目詰まりと凍結

March 2008

9

自動サイホンの改良 安全バイパス構造 浮かぶ資材の活用 交互乾燥と循環の組合せ

主な考案とその効果

浄化効率の向上 目詰まり軽減 メンテナンスの省力化

面積とコストを削減 !

10

流れを１つに

配管を太く

◎メンテナンスフリー

◎耐寒性の向上

（フランス式）

改良型

自動サイホンの改良

11

夏は交互に使う

バイパス 強化カゴ

有機物のよる目詰まりを回避する工夫

安全バイパス構造と浮かぶ資材

浮かぶ資材（スーパーソル等）

12

交互乾燥と循環の組合せ

濾床の表面の分割と交互利用による乾燥促進

処理水の循環による浄化率の向上

ｻｲﾎﾝ1

表面を仕切る

タイマー付きフロートポンプにより一部を循環

P

13

2010年7月 １年目の夏 O養豚場

春～秋には

交互に乾燥

14

浄化に活躍するヨシとミミズ

別海町K牧場

ヨシ＆ミミズ

◎目詰まりを防止

ミミズ

◎糞やワラを食べて分解

植物（ヨシ）を刈り取る必要はありません！

ミミズの卵

15

0

200

400

600

800

1,000

1,200

1,400

1,600

1,800

2,000

0

2,000

4,000

6,000

8,000

10,000

12,000

14,000

16,000

18,000

20,000

原水 1段 2段 3段 4段 5段

BO

D m

g/L

(酪農排水

)

BO

D m

g/L

生物化学的酸素要求量（BOD）

デンプン廃液_越年デンプン廃液_生養豚尿液Oファーム酪農排水K牧場酪農排水S牧場基準値 120右軸

0

1,000

2,000

3,000

4,000

5,000

6,000

0

10,000

20,000

30,000

40,000

50,000

60,000

原水 1段 2段 3段 4段 5段

CO

D(C

r)

mg

/L

(酪農排水

)

CO

D (

Cr)

m

g/L

化学的酸素要求量（COD［Cr］）

デンプン廃液_越年

デンプン廃液_生

養豚飼料Aファーム

養豚尿液Oファーム

酪農排水K牧場

酪農排水S牧場

酪農排水N牧場

0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

0

1,000

2,000

3,000

4,000

5,000

原水 1段 2段 3段 4段 5段

T-N

m

g/L

(酪農排水

)

T-N

m

g/L

全窒素（T-N）

デンプン廃液_越年デンプン廃液_生養豚飼料Aファーム養豚尿液Oファーム酪農排水K牧場酪農排水S牧場酪農排水N牧場基準値 60右軸

0

5

10

15

20

25

30

35

40

0

50

100

150

200

250

300

350

400

原水 1段 2段 3段 4段 5段

T-P

m

g/L

(酪農排水

)

T-P

m

g/L

全リン（T-P）デンプン廃液_越年デンプン廃液_生養豚飼料Aファーム養豚尿液Oファーム酪農排水K牧場酪農排水S牧場酪農排水N牧場基準値 8右軸

処理過程の平均水質（右：酪農雑排水、左：その他）

16

図１ ろ床の種類と面積あたりの浄化効率の関係

y = 1.219x0.7433

R² = 0.8731y = 2.2741x0.6219

R² = 0.6162

y = 1.0102x0.658

R² = 0.8615

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

0 500 1000 1500

OTR

' :

gO

2/

m2/

d

Load : ( COD/2 + 4.3*NH4-N) * Flow/Area) g/m2/d

Load - OTR' （年平均気温：5.3 °C）

Vr

V

H

累乗 (Vr)

累乗 (V)

累乗 (H)

OTRの世界的標準値

17

図２ 処理水質（CODCrとNH4-N）の平均値

1

10

100

1000

10000

10 100 1000 10000 100000

NH

4-N

mg/

L

CODCr mg/L

デンプン廃液_生

デンプン廃液_越年

養豚尿液Oファーム

養豚飼料Aファーム

酪農排水 K牧場

酪農排水 S牧場

酪農排水 N牧場

酪農排水 G牧場

18

0

50

100

150

200

250

300

350

400

0 10 20 30

相対的浄化効果（５℃

=100）

年平均気温 （℃）

図３ OTRの温度補正（アーレニウスの式）

OTR’ / OTR = θ (T’ – 20) / θ (T – 20)

θ =1.05と仮定（Kadlec R. H. et al. 2000より）

15.0 ℃ 5.3 ℃

19

原水濃度 （有機物Cin, アンモニアNin） 原水量（m3／日） 年平均気温（℃）

人工湿地の形式（Vr、V、H）、面積、段数を設定

処理水濃度（有機物CeとアンモニアNe）を計算

濾床の形式（Vr、V、H）と負荷・除去量の関係 【図1】 有機物とアンモニアの関係【図2】 温度補正（アーレニウスの式） 【図3】

処理水質の推定の流れ

20

処理水の推定値と実測値

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

In 1V 2Vr 3H 4V

CO

D (

mg/

L)

COD 推定と実測 (N牧場)

COD 推定

COD 実測

0

10

20

30

40

50

In 1V 2Vr 3H 4V

NH

4-N

(m

g/L)

NH4-N 推定と実測 (N牧場)

NH4-N 推定

NH4-N 実測

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

In 1Vr 2Vr 3V 4H 5V

CO

D (

mg/

L)COD 推定と実測 (O養豚場)

COD 推定

COD 実測

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

In 1Vr 2Vr 3V 4H 5V

NH

4-N

(m

g/L)

NH4-N 推定と実測 (O養豚場)

NH4-N 推定

NH4-N 実測

21

新技術の特徴・従来技術との比較

• 従来技術の問題点であった有機物による目詰まりの回避に成功し、面積当たりの浄化能力が従来の２倍から５倍に向上

• 極低濃度（BOD≒20mg/mL）から超高濃度（BOD≒20,000mg/mL）の広範囲な有機性汚水の浄化に適用できることを実証

• 本技術の適用により、汚水処理の低コスト化ができ、電気代などの運転コストが1/10～1/20程度まで削減可能

22

図3 活性汚泥処理法*と人工湿地ろ過システムのコスト比較

豚舎ふん尿処理の場合（処理水のBODが同じ条件で比較） *活性汚泥法の値は（財）畜産環境整備機構の家畜ふん尿処理施設・ 機械選定ガイドブック（汚水処理編）の評価書個表を参考に記載

0

2,000

4,000

6,000

8,000

10,000

12,000

14,000

0 2,000 4,000 6,000 8,000

施工費用

万円

育成豚数

活性汚泥法

ろ過システム

初期費用

約3/4

0

200

400

600

800

1,000

1,200

1,400

1,600

0 2,000 4,000 6,000 8,000

運転費用

万円／年

育成豚数

活性汚泥法

ろ過システム

運転費用（電気代など）

約1/20

23

表１ システム構成とコストの試算例

（機械的処理法とのコスト比較）

原水 処理水育成豚 搾乳牛 BOD BOD

頭 頭 ℃ mg/L mg/L m3/日 万円 万円/年 m2 万円 万円/年

豚舎汚水 800 15.8 5500 2.0 20.0 4,000 251 5 2012 3,230 14豚舎汚水 2100 15.8 3750 20.0 31.5 4,800 248 4 2684 3,590 18豚舎汚水 7000 16.3 6000 58.0 46.0 10,350 615 4 6212 6,850 26

パーラー排水 80 16.4 584 119.5 2.8 730 24 1 42 360 0.5パーラー排水 375 14.6 4000 2.7 10.0 2,450 92 3 1100 1,860 4

*2：気温、水質、水量の条件からBODを基準にシステムを試算。施工費用は資材や地形などで変動する。

*1：主に（財）畜産環境整備機構の家畜ふん尿処理施設・機械選定ガイドブック（汚水処理編）にある汚水浄化処理施設（活性汚泥処理法）の評価書個表を参考に記載。

汚水の種類と経営規模年平均気温

水質濃度水量

人工湿地ろ過システム*2機械的処理法*1

汚水の種類

規模段数 面積

施工費用

電気代施工費用

電気・薬品代

養豚の場合、豚1頭のふん尿の液分を処理するのに1.0～2.5m2程度のろ床面積が必要

24

窒素の形態と炭素含量およびC/Nの関係（養豚尿液処理の例）

炭素が減る（C/N低い）と硝酸が余る！

0

200

400

600

800

1000

1200

0 1000 2000

NO

3-N

,N

H4-N

mg

/L

全炭素（T-C） mg/L

NO3-N

NH4-N

0

200

400

600

800

1000

1200

0.0 1.0 2.0 3.0N

O3-N

,N

H4-N

mg

/L

全炭素／全窒素 （C／N）

NO3-NNH4-N

C/Nの低い汚水処理における課題

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ANAMMOX（嫌気性アンモニア酸化） （Anaerobic Ammonium Oxidation）

NH4+ + NO2

－ → N2 + 2H2O

人工湿地でアナモックス反応を

促進する条件の解明

炭素を消費しない

温暖化ガスを発生しない

アナモックス反応の活用

窒素浄化効率の向上手法

26

• 2005年以来、酪農、養豚、チーズ工場、鶏卵

場などの有機性汚水を浄化する実規模の施設として、北海道・東北の寒冷地を中心に国内外16カ所に導入され、検証済み

• 寒冷地から温暖な地域において、広範な濃度範囲の有機性汚水の有機物・窒素・リンの浄化に適用できる

• さらに省面積化が必要なケースにおいて、他の汚水処理技術との組合せを検討

想定される用途と今後の展望

27

企業への期待

• 省エネルギーで経済的な水処理技術の国内及び海外における事業展開を考えている企業には、本技術の導入が有効

• 食品工場排水、生活排水、下水処理など、窒素・リンの高度処理への適用を検討している企業などとの共同研究を希望

• 更なる省面積化のため、活性汚泥、固液分離、凝集剤、膜処理などの他の水処理技術を持つ企業との連携・協力を希望

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本技術に関する知的財産権

• 発明の名称 ：伏流式人工湿地システム

• 特許（登録） ：4877546（平23.12.9）

• 出願番号 ：特願2006-249667

• 出願人 ：（独）農業・食品産業技術総合研究機構、（株）たすく、（地独）北海道立総合研究機構

• 発明者 ：加藤邦彦、家次秀浩、木場稔信

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主な研究協力者（敬称略）

株式会社たすく 家次秀浩

北海道大学農学研究院土地改良学研究室

井上京、原田純、張暁萌、泉本隼人

岩手県立大学 辻盛生

農研機構畜産草地研究所 和木美代子

農研機構東北農業研究センター

青木和彦、戸上和樹、工藤一晃、三浦憲蔵

農研機構北海道農業研究センター

菅原保英、岡 紀邦

30

お問い合わせ先

農研機構東北農業研究センター 企画管理部

（兼 産学官連携支援センター） 兼松 誠司

ＴＥＬ ０１９－６４３－３４０７

ＦＡＸ ０１９－６４１－７７９４

e-mail ｓａｎｇａｋｕ＠ｍｌ.ａｆｆｒｃ.ｇｏ.ｊｐ